《化工设计概论》期末论文解析.docx
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《化工设计概论》期末论文解析
《化工设计概论》期末论文
--------------换热器
一．换热器原理及分类
一．原理
换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。
换热器是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。
在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。
换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：
间壁式、混合式和蓄热式。
在三类换热器中，间壁式换热器应用最多。
二．分类
1.按传热原理：
《1》、表面式换热器
表面式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，两种流体之间进行换热。
表面式换热器有管壳式、套管式和其他型式的换热器。
《2》、蓄热式换热器
蓄热式换热器通过固体物质构成的蓄热体，把热量从高温流体传递给低温流体，热介质先通过加热固体物质达到一定温度后，冷介质再通过固体物质被加热，使之达到热量传递的目的。
蓄热式换热器有旋转式、阀门切换式等。
《3》、流体连接间接式换热器
流体连接间接式换热器，是把两个表面式换热器由在其中循环的热载体连接起来的换热器，热载体在高温流体换热器和低温流体之间循环，在高温流体接受热量，在低温流体换热器把热量释放给低温流体。
《4》、直接接触式换热器
直接接触式换热器是两种流体直接接触进行换热的设备，例如，冷水塔、气体冷凝器等。
2、按用途分为：
1、加热器;加热器是把流体加热到必要的温度，但加热流体没有发生相的变化。
2、预热器;预热器预先加热流体，为工序操作提供标准的工艺参数。
3、过热器;过热器用于把流体（工艺气或蒸汽）加热到过热状态。
4、蒸发器;蒸发器用于加热流体，达到沸点以上温度，使其流体蒸发，一般有相的变化。
3、按换热器的结构可分为：
分为：
浮头式换热器、固定管板式换热器、U形管板换热器、板式换热器等。
二．换热器设计
一．设计任务
1.合理的参数选择和结构设计
2.传热计算和压降计算：
设计计算和校核计算
二．设计说明书内容
1.标题页
2.目录
3.确定设计方案
4.传热面积计算
5.工艺结构尺寸计算
6.换热器校核
7.换热器主要结构参数和设计结果一览表
8.换热器工艺条件图
9.自设计使用该换热器的工艺流程图
10.对本设计的评价
11.参考文献
三．设计流程图
三．换热器主要应用领域及部分实例
《1》化工行业
碱液冷却，煤油冷却，硫酸冷却，盐酸冷却，乙醇冷却，氯气干燥，碱厂CO2冷却，过程冷却，循环水冷却等。
《2》供热行业
集中供热，地板采暖等。
采暖工业用和民用两种。
暖通空调区域供热中心、水处理加热、游泳池加热、热泵装置、热回收装置、加热水预热、地热站、太阳能站热量回收、空调装置中的冷却、中央冷却。
《3》电力行业
柴油发电机冷却，传动油冷却，燃气轮机冷却，电厂废水热回收，闭式循环水冷却，主机润滑油冷却等。
《4》食品行业
啤酒、饮料的巴氏杀菌、冷却；牛奶的加热、冷却、杀菌；食用油加热冷却；脂肪酸冷却，果汁加热，糖浆加热等。
《5》医药行业
乳液冷却、血浆加热、输液冷却，维生素工艺过程等。
其他相关行业；
《1》造纸行业
废水冷却，清洗水冷却，废水蒸发、热回收系统木浆的凝缩等。
《2》船舶行业
润滑油冷却，燃料油预热，传动油油冷却，活塞冷却剂冷却，中央冷却等。
《3》冶金行业
铸模冷却，乳液冷却，连铸机冷却，高炉密闭循环冷却，液压油冷却，氨溶液冷却，炉水冷却，焦化厂水冷却，进料水冷却等。
《4》钢铁行业
铸模冷却、连铸机冷却、液压油冷却、炉水冷却、焦化厂水冷却、机器冷却剂冷却、压缩机冷却剂、进料水冷却、炉体（电极支座、变压器）的冷却、电解液的加热和冷却表面处理电解液冷却、油漆冷却、电镀浴冷却、除油浴加热、磷化液加热。
应用举例；
石化行业；
《1》原油加工一般很少，但工艺系统水的冷却和余热回收都有，实际装置上很少；生产化工产品的原材料，所有的稀烷类的大的化工厂都用大的板换；
精细化工（指进一步深加工原材料，变成可以使用的成品）这个部分使用的基本都是工艺上用。
《2》在制钢铁和卖焦炭和煤气时有副产品的焦化：
在粗煤气回收用板换。
焦炉气（650—800）——粗冷器——氨水澄清槽——土焦油——脱萘工段——脱硫——洗氨——终冷——苯回收。
这里焦油深加工管换比较多，氨水回收螺旋板多，但现在基本用焊接的给替代了。
其余都用板换。
《3》电力行业：
煤电、水电、核电都用板换和机组。
煤电：
闭式水冷器一般指一侧开，另一侧闭。
为板换多取样水冷却器、生水加热器一般为管换。
冷渣器（炉排冷却）一般为板换。
闭冷的典型工况为对数温差5—8度，一次水为30——38度左右。
一般一个机组用两台、也有用3台的。
冷却的是所有转动部件，一般都有夹腔。
《4》氯碱厂各工序使用实例
硅整流工序的两种换热器均属于液液换热。
其中变压器的油冷却器可使用铝黄铜板片材质、耐油丁腈橡胶垫片的板式换热器;整流柜的纯水冷却器可使用1Cr18Ni9Ti的板片材质、丁腈橡胶垫片的板式换热器。
盐水工序
《5》氯气处理工序
在氯气处理工序中,钛管冷却器板片可使用TA2钛材材质,由于湿氯气的化学腐蚀较重,所以选用耐氧化的三元乙丙橡胶垫片,同时有氯水的冷凝,必须使用冷凝式板式换热器;同样氯水冷却器可使用板片材质为TA2、垫片为三元乙丙橡胶的板式换热器;纳氏泵的循环酸、各塔循环酸换热器板片可使用耐浓硫酸和氯气腐蚀的哈式合金C-276材质以及氟橡胶垫片。
其他行业；
《1》冷油器是用来冷却电力系统中所有用汽轮机组绝缘油的设备，是电厂系统中重要设备之一。
《2》闭式循环冷却水系统，一是将电厂的转动的机械轴瓦冷却水等组成一个专门的闭式循环冷却系统；另一个是在装有水内冷发电机组的电帮，将内冷水池组成一个闭式循环冷却系统。
另一侧冷却水可以是废水、江湖水、城市中水等。
在闭式循环水系统中，板式换热器是系统中的主要设备。
《3》丁二烯冷却器是合成橡胶厂将汽态丁二烯用循环水冷凝为液态丁二烯。
硫酸冷却器是硫酸厂干燥塔、吸收塔将硫酸的温度用冷水降温，使之满足工艺要求。
《4》变压器油冷却器是在电站变压器油循环冷却系统中，用冷却水将变压器油降温冷却到≤40℃。
《5》牛奶冷却器是畜牧场用板式换热器对牛奶进行迅速冷却，以抑制乳品中微生物繁殖，保持乳品新鲜度。
工艺是用冷冻冰水通过板式换热器将鲜奶冷却至5℃后，送入贮奶罐保存。
《6》空调制冷换热器主要是在高建筑中用，低层冷冻水直供，高层通过板式换热器换热用7℃左右冷冻水把二次侧回水降到8℃左右供出，平均温差可达1℃。
四．换热器物料走向；
换热器要考虑的一方面就是提高换热效率，用有限的面积实现换热最大化。
蒸汽加热时存在明显的相变，从而出现不同的换热阶段，蒸汽的密度也会发生变化，介质流向会对换热产生影响。
1壳程为蒸汽，蒸汽冷凝考虑重力排水的因素，一般只会上进下出，物料考虑下进上出形成逆流，对数平均温差会大些；
2物料下进上出容易空气的排出；
如果壳程是液相，且由于工艺和布置的要求下进上出，此时排气的因素可以忽略，先考虑逆流物料可能会上进下出，
3.一般原则是冷介质下进上出，热介质上进下出%g4?
（A/Q!
l）g至于是封头进还是管箱进没什么区别
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G G"a）t5y（C只是GB151要求管程介质沿换热管轴向进设备也就是从封头进时要设置防冲板。
五．换热器的清洗与维护
在科学发展的今天要想完全的避免污垢的产生是几乎不可能的，所以，换热器等设备的清洗便成为工业生产，尤其是石油化工及热电工厂生产中所不可缺少的一个重要环节。
换热器是化工生产中广为使用的设备之一。
由于很多方面的原因，换热器设备和管道线路线中都会产生很多如结焦、油污垢、水垢、沉积物、腐蚀产物、聚合物、菌类、藻类、粘泥等污垢。
据调查90%以上的换热设备都存在不同程度的污垢问题
一、设备结垢的危害；
1.恶化换热器的传热性能，增加能耗
2.引起整个换热器的流动阻力压降的增大
3.局部过热或超高温而导致机械性能的下降，引发事故。
4.污垢的积聚威胁换热设备的安全运行。
二．清洗方法（分为两类）；
第一类；机械清洗技术
机械清洗是靠流体的流动或机械作用提供一种大于污垢粘附力的力而使污垢从换热面上脱落。
机械清洗的方法有两类：
一类是强力清洗法，如喷水清洗、喷汽清洗、喷砂清洗、刮刀或钻头除垢等；另一类是软机械清洗，如钢丝刷清洗和胶球清洗等。
下面分别介绍这几类方法：
《1》喷水清洗，是用高压水喷射或机械冲击的除垢方法。
采用这种方法时水压一般为20~50MPa。
现在也有采用更高压力的50~70Mpa。
喷汽清洗，这种清洗器在设计和运行上与喷水清洗器类似，用这种设备将蒸汽喷入换热器的管侧和壳侧，靠冲击力和热量除去污垢。
《2》喷砂清洗，是将筛分的石英砂（一般粒径在3~5mm）用压缩空气（300~350kPa）通过喷枪产生强大的线速度，冲刷换热器的管内壁，清除掉污垢，使管子恢复原有的换热特性。
刮刀或钻头除垢，这种清洗机械只适用于管子或圆筒里面的污垢。
在挠性旋转轴的顶端安装除垢的刮刀或钻头，靠压缩空气或电力（也有使用水力或蒸汽的）使刮刀或钻头旋转。
《3》胶球清洗，是用喷丸清洗器进行的。
喷丸清洗器是由海绵球和将球推进需清洗的管子内部的流体喷枪组成，球为炮弹形，以半硬质发泡聚氨基脂的海绵体挤压而成，富有弹性。
第二类；化学清洗技术
化学清洗就是在流体中加入除垢剂、酸、酶等以减少污垢与换热面的结合力，使之从换热面上剥落。
目前采用的化学清洗方法有：
《1》循环法：
用泵强制清洗液循环，进行清洗。
《2》浸渍法：
将清洗液充满设备，静置一定时间。
《2》浪涌法：
将清洗液充满设备，每隔一定时间把清洗液从底部卸出一部分，再将卸出的液体装回设备内以达到搅拌清洗的目的。
在设备清洗前应做好如下准备工作：
1）了解和检查被清洗设备的种类、型式、几何形状和尺寸；
2）掌握设备的材质及应清洗到的地方；
3）根据实际情况确定清洗剂的种类、清洗液的浓度和用量；
4）妥善安排清洗用的水源、加热清洗液用的热源以及污水的处理和排放；
5）安排清洗地点；
6）进行污垢调查；
与机械清洗相比化学清洗的优点是：
1）不必拆开设备；
2）能清洗到机械清洗不到的地方；
3）化学清洗均匀一致，微小的间隙均能洗到，而且不会剩下沉积的颗粒，形成新垢的核心；
4）可以避免金属表面的损伤，如机械清洗中的尖角能促进腐蚀并在其附近形成污垢；
5）进行了防锈和钝化处理清洗后可防止生锈；
6）化学清洗可在现场完成，劳动强度比机械清洗小；
六．换热器发展前景
近几年来,随着高温热管技术研究的不断成熟和深入,高温热管换热器的应用领域逐渐扩大,目前已广泛应用于工业、民用和国防等各个领域。
在冶金、化学、陶瓷、建材及轻工等工业生产中,常需要500℃以上的清洁空气以满足助燃、干燥和供氧等需要,采用高温热管空气加热器可以轻易地达到这一要求,并且从根本上解决常规空气加热器所无法解决的传热难题。
高温热管技术在喷雾干燥中的应用取得成功,并已收到了令人满意的实际效果。
根据现场测试的参数表明,高温热管换热器达到的某些性能指标,是其他类型热风发生器所达不到的,因而在某些特定工况条件下的应用也是无法取代的:
1.向各类干燥设备（喷雾于燥、沸腾干燥、气流干燥、隧道干燥及链板式干燥等）提供清洁的高温热风。
2.向气流焙炉提供800℃以上的高温热风,对物料直接进行气流焙烧。
3.向各类燃烧器提供助燃热风,改善燃烧状况,提高燃烧效率,节约燃料。
据资料介绍,用普通换热器将助燃风加热到300~400‘C可节燃料15%~25%,用高温换热器可节约燃料40%以上。
4.回收利用六大耗能工业（冶金、化工、炼油、玻璃、水泥及陶瓷）的高温余热,使这些领域的能源利用率达到一个新的水平。
由以上可以预见,高温热管热风发生器将具有广阔的推广应用前景,对工业生产和节能技术的发展产生重大的影响。
七．化工设计心得
经过一学期的学习，我们不难发现化工设计涵盖了很多内容，是整个工程设计的龙头。
如果我们是项目经理，拿到一个项目后，物料衡算，热量衡算，时间平衡等是必须清楚的。
尤其的热量衡算（也包括反应热的计算），如果反应热不会计算，那是很可怕；其次，要懂控制方案，是比值控制、串级控制还是前馈控制等要很清楚；还有，要懂设备，懂设备选型、材质，加工特点，动设备，静设备。
《1》首先要有扎实的基础知识，没有，那就赶快补；多去现场；多去其他厂家参观；多和同行交流；最后一点就是要刻苦，多学。
《2》热量计算可以说十分重要，它涉及到再沸器、冷凝器和反应器的还有相平衡方面的计算，在精馏计算是有些数据是需要的，尤其是计算相对挥发度。
化工设备你要了解动设备、静设备等。
《3》保持一颗对工作负责的心，搞化工设计，时刻要有'十分'的责任感！
刚开始肯定要经常加班加点，这是你进入设计行业的必通之路，要有责任就要掌握尽可能多的东西来保证哈。
《4》多交流，化工工艺在化工设计中可是龙头专业，需要和许多的专业打交道和传递信息，学会多听人家专业的说法，不要凭直觉判断专业问题！
《5》多帮助别人，每个人都有自己的专长，要发挥自己特长主动帮助需要帮助的人呀，良好的工作氛围是良好的工作的保证。
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